JP7321905B2 - ガスセンサ及びガスセンサの製造方法 - Google Patents
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ところで、センサを小型化したり、検出素子の加熱を速やかに行えるようにするため、検出素子を短くしたいという要望がある。しかしながら、この場合、検出素子の先端がプロテクタのガス導入孔よりも後端側に位置するようになり、被測定ガスが検知部まで到達し辛くなってガスセンサの応答性が低下するという問題がある。
そこで、プロテクタの径方向に2つのガス導入孔を対向させるとともに、両ガス導入孔の開口面積を異ならせることで、開口面積の大きいガス導入孔からプロテクタ後端の検知部側へ十分な流量のガスを供給させる技術が開発されている(特許文献1参照)。
そこで、プロテクタのガス導入孔を1つとすることで、ガスの流れに対するガス導入孔の向きによらず、プロテクタ内部へ十分なガスを供給できることが判明した。ところが、ガス導入孔が1つであると、今度は、ガス導入孔と、プロテクタ内の検出素子との位置関係によって、理由は明確でないが、ガスセンサの応答性が低下する問題が生じる。
これは、検出素子は検知部に臨む内部空間を有しているが、詳しくは図8で後述するように、この内部空間、ひいては検知部に被測定ガスG0を導入するために素子に設けた一対の素子側ガス導入部10s1、10s2へのガスG0の導入量に差が生じ、アンバランスになるためと考えられる。
このため、外部からガス導入部を通ってプロテクタに導入された被測定ガスは、ガス導入部に近い方の素子側ガス導入部に当たらず、まず、プロテクタの内側で周壁に当たってから反射して他の素子側ガス導入部に到達する。そして、到達したガスの一部がさらにガス導入部に近い方の素子側ガス導入部に到達する。
これにより、両素子側ガス導入部の一方に過度に被測定ガスが当たることが抑制され、両素子側ガス導入部へ導入される被測定ガスの量のバランスを保ち、ガスセンサの応答性の低下を抑制できる。
そこで、投影面において、検出素子の先端面が領域R、R2の少なくとも一方の領域と重複することで、周壁で反射して領域R2内に戻ったガスの主な進行先(領域R、R2)に検出素子が介在するので、素子側ガス導入部へ被測定ガスを確実に導入することができる。
このガスセンサによれば、プロテクタのガス導入孔が1つであることに起因する、被測定ガスの流れに対するガス導入孔の向きによらずにプロテクタ内部へガスを供給する効果を確実に発揮できる。
θ=0度の場合、ガス導入部に素子側ガス導入部の一方が丁度正対するので、両素子側ガス導入部へ導入される被測定ガスの量の差が最大となる。そこで、θ≧15度とすることで、素子側ガス導入部をガス導入部から確実に遠ざけることができ、両素子側ガス導入部へ導入される被測定ガスの量の差をより小さくすることができる。
また、前記投影面において、前記一対の素子側ガス導入部の中心同士を結ぶ第1線分と、前記ガス導入部の両周縁の中点と前記中心軸とを結ぶ第2線分とのなす角θが90度未満であってもよい。
このガスセンサによれば、内側プロテクタのガス導入部を外側プロテクタが覆うので、ガス導入部を通って検出素子が被水することを抑制できる。
図1は、本発明の実施形態に係るガスセンサ(NOxセンサ)1の縦断面図(軸線Oに沿った長手方向に切断した断面図)、図2は検出素子10の斜視図である。
なお、検出素子の軸線Oに沿う方向(軸線方向)を適宜「長手方向」と称する。検出素子の「幅方向」は、「長手方向(軸線方向)」と垂直な方向である。
そして、各先端側端子部材75の後端側に各後端側端子部材76の先端側が嵌合されて電気的に接続されている。
又、検出素子10の先端側には、後述する素子側ガス導入部10s1,10s2が設けられるとともに、素子側ガス導入部10s1,10s2を含む検出素子10の先端側がガス透過性の多孔質保護層10gで覆われている。
一方、セラミックスリーブ45と主体金具20のカシメ部22との間には、加締リング46が配置されている。そして、主体金具20のカシメ部22が、加締リング46を介してセラミックスリーブ45を先端側に押し付けるように、加締められている。
絶縁部材90は、絶縁性材料(具体的にはアルミナ)からなり、円筒状をなすとともに、保持部材60の後端側に接している。
弾性シール部材73は、外筒51の後端開口部51cを径方向内側に加締めることで径方向に弾性圧縮変形し、これにより挿通孔面73bとリード線71との間を水密に封止している。
又、弾性シール部材73が弾性圧縮変形することで、弾性シール部材73の先端向き面が絶縁部材90を先端側に押圧し、弾性シール部材73と保持部材60との間で絶縁部材90が保持されている。
素子側ガス導入部10s1,10s2はガス透過性の多孔質体からなり、検出素子10内部の空間(測定室)への被測定ガスGの単位時間あたりの流通量(拡散速度)を制限する。
そして、Ip1セル102、Vs電極104にて検出素子10内部の空間(測定室)の酸素濃度を調整し、検知用電極106にて酸素濃度が調整されたガスG中のNOx濃度を検知する。
なお、素子側ガス導入部10s1,10s2は、検出素子10の側面10c、10dでなく、一対の対向する主面10a、10bに配置されていてもよい。
なお、本発明における「プロテクタ」とは、図1のような2層以上の構造からなる場合は最も内側のプロテクタであり、本実施形態では内側プロテクタ32が特許請求の範囲の「プロテクタ」に相当する。
まず、図3に示すように、外側プロテクタ31は有底円筒状をなし、検出素子10の先端よりも先端側に、周方向に離間しつつ径方向に延びる長円状の複数の外部ガス導入部31aを有している。又、外側プロテクタ31の底面(先端向き面)の中央には1個の外部ガス排出部31bを有している。
さらに、検出素子の10の先端は、ガス導入部32a(の最後端)よりも後端側に位置している。
なお、ガス排出部32bは、外部ガス導入部31aよりも先端側に位置しており、先端側の方が被測定ガスの流速が速いことから、被測定ガスが外部ガス導入部31a、ガス導入部32aから内側プロテクタ32の内部に導入され、ガス排出部32b、外部ガス排出部31bから排出されるようになっている。
図4に示すように、ガス導入部32aを通る内側プロテクタ32の径方向断面としては、円形のガス導入部32aの中心を通る断面C1や、ガス導入部32aの中心を外れた断面C2がある。
このうち、図5に示すように、ガス導入部32aの中心を通る断面C1は、両周縁32mの間隔が最も広い(ガス導入部32aが周方向に最も大径)ので、中心軸AXを中心とする両周縁32mの円周角φ1が最大となる。これに対し、断面C2における両周縁32m2の円周角φ2はφ1より小さい。
図6に示すように、中心軸AXに垂直な投影面Pに、上記断面C1、検出素子10の先端面10f、一対の素子側ガス導入部10s1、10s2、及び中心軸AXを投影する。
そして、投影面Pにおいて中心軸AXと、ガス導入部32aの両周縁32mとを結ぶ三角形の領域Rを見たとき、領域Rと素子側ガス導入部10s1、10s2とは重複しない。又、投影面Pにおいて、中心軸AXを対称の中心として領域Rと点対称の領域を領域R2とすると、領域Rと領域R2との少なくとも一方の領域と、先端面10fとは重複している。
図7は本実施形態における検出素子10とガス導入部32aとの位置関係を示す部分斜視図であり、図8は図7における投影面Pと被測定ガスの流れを示す。
図9は本実施形態に含まれない検出素子10とガス導入部32aとの位置関係を示す部分斜視図であり、図10は図9における投影面Pと被測定ガスの流れを示す。
図11は、投影面Pにおいて、検出素子10の先端面10fが領域R、R2のいずれとも重複しない場合の被測定ガスの流れを示す。
ここで、ガス導入部32aに近い方の素子側ガス導入部を符号10s1で表すと、図7に示すように、外部からガス導入部32aを通って内側プロテクタ32に導入された被測定ガスG0は、検出素子10に当たらず、投影面Pにおいて概ね領域R、R2を通過した後、まず、内側プロテクタ32の内側で周壁32rに当たってから反射して主に領域R2(又はさらにR)内に戻り、検出素子10の表面にガスG1として接触する。そして、検出素子10の表面に接触したガスG1は、検出素子10の表面を沿ってそれぞれガスG2、G3として分かれて素子側ガス導入部10s2、10s1に到達すると考えられる。
これにより、両素子側ガス導入部10s1、10s2の一方に過度に被測定ガスが当たることが抑制され、両素子側ガス導入部10s1、10s2へ導入される被測定ガスの量のバランスを保ち、ガスセンサの応答性の低下を抑制できる。
この場合、図9に示すように、外部からガス導入部32aを通って内側プロテクタ32に導入された被測定ガスG0の大部分は、内側プロテクタ32の内側で周壁32rに当たってから反射し、ガスG1として、ガス導入部32aから遠い素子側ガス導入部10s2に直接当たるため、検出素子10の表面を沿って他の素子側ガス導入部10s1に到達するガスG3の量が極端に少なくなる。
その結果、両素子側ガス導入部10s1、10s2へ導入される被測定ガスの量に差が生じてアンバランスになり、ガスセンサの応答性が低下する。
上記した図8に示すように、ガス導入部32aを通って内側プロテクタ32に導入された被測定ガスG0は、投影面Pにおいて概ね領域R、R2を通過した後、内側プロテクタ32の内側で周壁32rに当たってから反射して主に領域R2(又はさらにR)内に戻り、検出素子10の表面にガスG1として接触する。
ところが、図11に示すように、先端面10fが領域R、R2のいずれとも重複しない場合、周壁32rで反射して領域R2内に戻ったガスG1の主な進行先(領域R、R2)に検出素子10が存在しない。このため、この反射ガスG1が検出素子10にほとんど当たらず、素子側ガス導入部10s1、10s2へ被測定ガスが十分に導入されなくなる。
そこで、先端面10fが領域R、R2の少なくとも一方の領域と重複することで、素子側ガス導入部10s1、10s2へ被測定ガスを確実に導入することができる。
円周角φが100度を超えると、ガス導入孔32aが周方向に大きくなりすぎ、ガス導入孔32aが2つ以上の場合と同様、ガスの流れに対するガス導入孔の向きによってプロテクタ内部へガスを十分に供給することが困難な場合がある。
円周角φの下限は特に限定されないが、例えば10度とすることができる。なお、本実施形態(図7頭)では、φ=22度である。
θ=0度の場合、ガス導入部32aに素子側ガス導入部10s1、10s2の一方が丁度正対するので、両素子側ガス導入部10s1、10s2へ導入される被測定ガスの量の差が最大となる。そこで、θ≧15度とすることで、素子側ガス導入部10s1、10s2をガス導入部32aから確実に遠ざけることができ、両素子側ガス導入部10s1、10s2へ導入される被測定ガスの量の差をより小さくすることができる。
なお、θの上限は90度である。
図12に示すように、本発明の実施形態に係るガスセンサの製造方法は、上述の(図1等に示した)ガスセンサの製造方法において、検出素子10を主体金具20に組付けた素子アセンブリ200に対し、以下の規定になるように、内側プロテクタ32のガス導入部32aの周方向の向きを調整して内側プロテクタ32を組付ける。
具体的には、図1に示すように検出素子10の先端がガス導入部32aよりも後端側に位置するように組み付け、かつ図6に示すように内側プロテクタ32の中心軸AXに垂直な投影面Pに、ガス導入部32aを通る内側プロテクタ32の径方向断面であって中心軸AXを中心とするガス導入部32aの両周縁32mの円周角φが最大となる断面C1、検出素子10の先端面10f、素子側ガス導入部10s1、10s2、及び中心軸AXを投影し、投影面Pにおいて中心軸AXと素子側ガス導入部10s1、10s2の両周縁32mとを結ぶ領域Rを見たとき、領域Rと素子側ガス導入部10s1、10s2とは重複せず、かつ領域R、R2の少なくとも一方の領域と、検出素子の先端面10fとは重複するように組み付ける。
その後、内側プロテクタ32の外側に外側プロテクタ31を組付け、主体金具20の先端部20bに、外側プロテクタ31及び内側プロテクタ32を全周溶接等によって取り付ける。外側プロテクタ31の周方向の向きは特に規定する必要はない。
例えば、ガス導入部及びガス排出部の形状は限定されないし、ガス排出部の個数も限定されない。外側プロテクタの形状も限定されず、例えば図13のように、外側プロテクタ131の外部ガス導入部131aを中心軸AX方向に延びる複数の長円状とし、周方向に離間して配置してもよい。又、外側プロテクタが無く、一重のプロテクタでもよい。
10 検出素子
10s1、10s2 素子側ガス導入部
10f 検出素子の先端面
20 主体金具
31 外側プロテクタ
32 プロテクタ(内側プロテクタ)
32r 周壁
32s 先端壁
32a ガス導入部
32b ガス排出部
32m ガス導入部の両周縁
200 素子アセンブリ
O 軸線
AX プロテクタの中心軸
P 投影面
C1 円周角φが最大となる断面
G,G0~G3 被測定ガス
Claims (6)
- 軸線方向に延びる板状をなし、自身の先端側の一対の対向面に、それぞれ被測定ガスを自身の内部に導入するための一対の素子側ガス導入部を有する検出素子と、
前記検出素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、
周壁、及び自身の先端に先端壁を有し、自身の基端部が前記主体金具の先端側に固定される筒状のプロテクタと、
を備えたガスセンサにおいて、
前記プロテクタは、前記被測定ガスを前記プロテクタ内に導入可能なガス導入部を前記周壁に1つ有すると共に、前記被測定ガスを排出可能なガス排出部を前記ガス導入部よりも先端側に有し、
前記検出素子の先端は、前記ガス導入部よりも後端側に位置し、
前記プロテクタの中心軸に垂直な投影面に、前記ガス導入部を通る前記プロテクタの径方向断面であって前記中心軸を中心とする前記ガス導入部の両周縁の円周角φが最大となる断面、前記検出素子の先端面、前記素子側ガス導入部、及び前記中心軸を投影し、前記投影面において前記中心軸と前記ガス導入部の前記両周縁とを結ぶ領域Rを見たとき、
前記領域Rと前記素子側ガス導入部とは重複せず、前記領域Rと、前記中心軸を対称の中心として前記領域Rと点対称の領域である領域R2との少なくとも一方の領域と、前記検出素子の先端面とは重複することを特徴とするガスセンサ。 - 前記円周角φが100度以下であることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記投影面において、前記一対の素子側ガス導入部の中心同士を結ぶ第1線分と、前記ガス導入部の両周縁の中点と前記中心軸とを結ぶ第2線分とのなす角θが15度以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 前記投影面において、前記一対の素子側ガス導入部の中心同士を結ぶ第1線分と、前記ガス導入部の両周縁の中点と前記中心軸とを結ぶ第2線分とのなす角θが90度未満であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 前記プロテクタは内側プロテクタであり、さらに前記内側プロテクタの径方向外側に配置される筒状の外側プロテクタを有することを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 軸線方向に延びる板状をなし、自身の先端側の一対の対向面に、それぞれ被測定ガスを自身の内部に導入するための一対の素子側ガス導入部を有する検出素子と、
前記検出素子の径方向周囲を取り囲む筒状の主体金具と、
周壁、及び自身の先端に先端壁を有し、自身の基端部が前記主体金具の先端側に固定される筒状のプロテクタと、
を備えたガスセンサの製造方法において、
前記プロテクタは、前記被測定ガスを前記プロテクタ内に導入可能なガス導入部を前記周壁に1つ有すると共に、前記被測定ガスを排出可能なガス排出部を前記ガス導入部よりも先端側に有し、
前記検出素子を前記主体金具に組付けた素子アセンブリに対し、前記検出素子の先端が前記ガス導入部よりも後端側に位置し、かつ前記プロテクタの中心軸に垂直な投影面に、前記ガス導入部を通る前記プロテクタの径方向断面であって前記中心軸を中心とする前記ガス導入部の両周縁の円周角φが最大となる断面、前記検出素子の先端面、前記素子側ガス導入部、及び前記中心軸を投影し、前記投影面において前記中心軸と前記素子側ガス導入部の前記両周縁とを結ぶ領域Rを見たとき、
前記領域Rと前記素子側ガス導入部とは重複せず、前記領域Rと、前記中心軸を対称の中心として前記領域Rと点対称の領域である領域をR2との少なくとも一方の領域と、前記検出素子の先端面とは重複するよう、前記プロテクタを組み付けることを特徴とするガスセンサの製造方法。
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